骨髓“小工厂”新突破！Stem Cell Res Ther：基因改造基质细胞巧建仿生微环境，无需额外养料也能养好造血干细胞

骨髓“小工厂”新突破！Stem Cell Res Ther：基因改造基质细胞巧建仿生微环境，无需额外养料也能养好造血干细胞

来源：100医药网 2025-07-23 14:00

在血液疾病治疗领域，造血干祖细胞（HSPCs）基因疗法已展现出巨大潜力，比如CRISPR/Cas9-based HSPCs基因疗法获批用于镰状细胞病治疗。但目前HSPCs的体外培养仍面临难题：培养压力影响移植效果，外源性细胞因子补充又推高基因治疗产品成本。

近期，发表在Stem Cell Res Ther上的一项研究Engineering biomimetic bone marrow niche with gene modified mesenchymal stromal cells for ex vivo culture of human hematopoietic stem and progenitor cells为解决这些问题带来了新希望。

研究团队开发了一种基因修饰的人骨髓间充质（GM-MSCs），其能分泌干细胞因子（SCF）、血小板生成素（TPO）、FMS样酪氨酸激酶3配体（FLT3L）和白细胞介素3（IL3），可模拟骨髓细胞微环境来辅助HSPCs培养。

图 1：基因修饰间充质基质细胞（GM-MSCs）的生成与表征

在这种GM-MSCs的支持下，HSPCs的增殖效果与标准培养条件相当，且无需外部细胞因子补充。更重要的是，这些HSPCs能保留干细胞特性，包括集落形成能力、干性基因特征，以及在NBSGW小鼠体内长期多谱系重建的能力。同时，该仿生饲养层还能支持并减轻基于同源定向修复（HDR）的HSPCs基因编辑相关压力，这种基因编辑旨在重新激活胎儿血红蛋白，有望应用于 -血红蛋白病的基因治疗。

进一步研究显示，GM-MSCs分泌的四种细胞因子是HSPCs体外培养常用的补充因子，其分泌量经检测显著高于野生型间充质干细胞（WT-MSCs）。在与HSPCs的共培养中，当MSCs与HSPCs比例为4:10时，无需外源性细胞因子补充，HSPCs的扩增水平就能达到标准培养水平。而且，无论在常氧还是低氧条件下，GM-MSCs组的绝对数量、CD34+CD90+细胞的扩增倍数、集落形成单位（CFU）计数及比例，都与标准培养和WT-MSCs加细胞因子的条件相当。小分子鸡尾酒RUS虽能在标准培养条件下增加CD34+CD90+造血干细胞的绝对数量，但在GM-MSCs培养的HSPCs中无此效果，这可能是因为MSCs的调节作用模拟了体内微环境，限制了细胞的绝对扩增，而标准培养条件缺乏这种调节，使得RUS能更显著地促进细胞扩增。此外，GM-MSCs培养的HSPCs中，原始造血干细胞（CD34+CD90+CD45RA CD38 CD49f+）的数量与标准培养加RUS的条件相似，且GM-MSCs能轻度降低体外培养相关的活性氧（ROS）水平和细胞凋亡，对细胞周期无影响。

图 2：GM-MSCs无需外源性细胞因子即可支持造血干祖细胞

转录组分析表明，与标准培养相比，GM-MSCs共培养的HSPCs有1210个基因差异表达，其中911个上调，299个下调。上调基因涉及细胞粘附、干细胞维持等功能，富集在细胞外基质组织、细胞迁移调节等通路；下调基因则与钙内流、反应分子介导等相关。基因集富集分析显示，上皮-间质转化（EMT）相关基因集显著富集，且上调基因中有249个在骨髓间充质干细胞来源的外泌体中特异性富集，提示GM-MSCs可能通过细胞外囊泡对HSPCs产生有益影响。同时，GM-MSCs共培养的HSPCs还保留了长期重建造血干细胞（LT-HSC）的特性。

体内移植实验中，经GM-MSCs共培养的HSPCs在NBSGW小鼠的骨髓、外周血和脾脏中，植入效率与标准培养和WT-MSCs共培养的HSPCs相当，CD34+细胞的频率在各组织中也保持一致，并且能在骨髓中实现T细胞、B细胞、髓系细胞和红细胞的多谱系重建。

图 3：与GM-MSCs共培养的造血干祖细胞在体内保持植入潜力

在HDR基因编辑方面，GM-MSCs共培养的HSPCs整体HDR效率接近WT-MSCs组，绝对HDR阳性细胞数量是标准培养组的2倍，能有效支持基因编辑细胞的扩增，同时减轻ssODN和AZD-7648处理相关的毒性。虽然GM-MSCs组的胎儿血红蛋白（HbF）阳性细胞比例高于标准培养组，但低于WT-MSCs组，不过其编辑后的HSPCs中活性氧水平低于标准培养组，这可能是HDR阳性细胞活力提高的原因之一。

图 4：本研究的图解摘要

综上所述，这项研究开发的GM-MSCs通过建立仿生骨髓微环境，为传统细胞因子补充提供了一种有吸引力的替代方案，既能促进HSPCs扩增，又能维持其干性。这一发现凸显了工程化间充质干细胞在革新HSPCs体外培养方面的潜力，有望最终提高其在基因治疗应用中的治疗价值，为血液疾病的基因治疗开辟了更广阔的前景。对于患者而言，这意味着未来可能有更高效、低成本且安全的治疗选择，进一步推动基因治疗在临床的应用和普及。（100yiyao.com）

参考文献：

Suresh S, Venkatesan V, Azhagiri MKK, et al. Engineering biomimetic bone marrow niche with gene modified mesenchymal stromal cells for ex vivo culture of human hematopoietic stem and progenitor cells.Stem Cell Res Ther. 2025;16(1):335. Published 2025 Jul 1. doi:10.1186/s13287-025-04474-4